1.正極材料

 

　　首先，我們來看看正極材料，正極材料的選擇，主要基于以下幾個因素考慮：

 

　　1)具有較高的氧化還原反應電位，使鋰離子電池達到較高的輸出電壓；

 

　　2)鋰元素含量高，材料堆積密度高，使得鋰離子電池具有較高的能量密度；

 

　　3)化學反應過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要好，使得鋰離子電池具有長循環(huán)壽命；

 

　　4)電導率要高，使得鋰離子電池具有良好的充放電倍率性能；

 

　　5)化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性要好，不易分解和發(fā)熱，使得鋰離子電池具有良好的安全性；

 

　　6)價格便宜，使得鋰離子電池的成本足夠低；

 

　　7)制造工藝相對簡單，便于大規(guī)模生產(chǎn)；

 

　　8)對環(huán)境的污染低，易于回收利用。

 

　　當前，鋰離子電池的能量密度、充放電倍率、安全性等一些關(guān)鍵指標，主要受制于正極材料?！♀捤徜嚨纳虡I(yè)化應用走的最早，第一代商業(yè)化應用的鋰離子電池就是SONY在1990年推向市場的鈷酸鋰離子電池，隨后在消費類產(chǎn)品中得到大規(guī)模應用。隨著手機、筆記本、平板電腦的大規(guī)模普及，鈷酸鋰一度是鋰離子電池正極材料中銷售量占比最大的材料。但其固有的缺點是質(zhì)量比容量(不等同于能量密度)低，理論極限是274mAh/g，出于正極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性考慮，實際只能達到理論值的50%，即137mAh/g。同時，由于地球上鈷元素的儲量比較低，也導致鈷酸鋰的成本偏高，難以在動力電池領(lǐng)域大規(guī)模普及，所以鈷酸鋰正極材料將被其他材料逐步取代。

 

　　由于穩(wěn)定性，安全性，材料合成困難等方面的缺點，鎳酸鋰的商業(yè)應用較少，市場上很少看到，這里不做論述。

 

　　錳酸鋰的商業(yè)化應用，主要在動力電池領(lǐng)域，是鋰離子電池一個比較重要的分支。如日產(chǎn)的leaf純電動轎車采用了日本AESC公司的錳酸鋰離子電池，早期的雪弗蘭Volt也采用韓國LG化學的錳酸鋰離子電池。錳酸鋰的突出優(yōu)點是成本低，低溫性能好，缺點是比容量低，極限在148mAh/g，且高溫性能差，循環(huán)壽命低。所以錳酸鋰的發(fā)展有明顯的瓶頸，近年來的研究方向主要是改性錳酸鋰，通過摻雜其他元素，改變其缺點。

 

　　磷酸鐵鋰材料在中國熱過一陣子，一方面受美國科研機構(gòu)和企業(yè)在技術(shù)方面的帶動，另一方面受比亞迪在國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)化推動，前幾年國內(nèi)的鋰離子電池企業(yè)在動力電池領(lǐng)域基本都以磷酸鐵鋰材料為主。但是隨著全球各國對鋰離子電池能量密度的要求越來越高，而磷酸鐵鋰的比容量理論極限是170mAh/g，而實際上只能達到120mAh/g左右，已經(jīng)無法滿足當前和未來的市場需求。此外，磷酸鐵鋰的倍率性能一般，低溫特性差等缺點，也限制了磷酸鐵鋰的應用。最近比亞迪搞出了一個改性磷酸鐵鋰材料，把能量密度提升了不少，還未透露具體的技術(shù)細節(jié)，不知道摻雜了什么材料在里面。就產(chǎn)品應用領(lǐng)域而言，電力儲能市場應該是磷酸鐵鋰離子電池的一個重要市場，相對而言，這個市場對能量密度不是特別敏感，而對長壽命，低成本，高安全性電池的迫切需求，正是磷酸鐵鋰材料的優(yōu)勢所在。

 

　　日韓企業(yè)在近幾年大力推動三元材料的應用，鎳鈷錳三元材料逐漸成為市場的主流，國內(nèi)企業(yè)也采取跟隨策略，逐步轉(zhuǎn)向三元材料。三元材料的比容量較高，目前市場上的產(chǎn)品已經(jīng)可以達到170~180mAh/g，從而可以將電池單體的能量密度提高到接近200Wh/kg，滿足電動汽車的長續(xù)航里程要求。此外，通過改變?nèi)牧系呐浔?x，y的值)，還可以達到良好的倍率性能，從而滿足PHEV和HEV車型對大倍率小容量鋰離子電池的需求，這也正是三元材料大行其道的原因。從化學式可以看出，鎳鈷錳三元材料綜合了鈷酸鋰(LiCoO2)和錳酸鋰(LiMn2O4)的一些優(yōu)點，同時因為摻雜了鎳元素，可以提升能量密度和倍率性能。

 

　　鎳鈷鋁三元材料，嚴格來說，其實算是一種改性的鎳酸鋰(LiNiO2)材料，在其中摻雜了一定比例的鈷和鋁元素(占比較少)。商業(yè)化應用方面主要是日本的松下公司在做，其他鋰離子電池公司基本沒有研究這個材料。之所以拿來對比，是因為鼎鼎大名的Tesla，就是使用松下公司的18650鎳鈷鋁三元電芯做電動汽車的動力電池系統(tǒng)，并且做到了接近500公里的續(xù)航里程，說明了這種正極材料，還是有其獨特的價值。

 

　　以上僅僅是比較常見的鋰離子電池正極材料，并不代表所有的技術(shù)路線。實際上，不管是高校和科研院所，還是企業(yè)，都在努力研究新型的鋰離子電池正極材料，希望把能量密度和壽命等關(guān)鍵指標提升到更高的量級。當然，如果要在2020年達到250Wh/kg，甚至300Wh/kg的能量密度指標，現(xiàn)在商業(yè)化應用的正極材料都無法實現(xiàn)，那么正極材料就需要比較大的技術(shù)變革，如改變層狀結(jié)構(gòu)為尖晶石結(jié)構(gòu)的固溶體類材料，以及有機化合物正極材料等，都是目前比較熱門的研究方向。

 

　　2.負極材料

 

　　相對而言，針對鋰離子電池負極材料的研究，沒有正極材料那么多，但是負極材料對鋰離子電池性能的提高仍起著至關(guān)重要的作用，鋰離子電池負極材料的選擇應主要考慮以下幾個條件：

 

　　1)應為層狀或隧道結(jié)構(gòu)，以利于鋰離子的脫嵌；

 

　　2)在鋰離子脫嵌時無結(jié)構(gòu)上的變化，具有良好的充放電可逆性和循環(huán)壽命；

 

　　3)鋰離子在其中應盡可能多的嵌入和脫出，以使電極具有較高的可逆容量；

 

　　4)氧化還原反應的電位要低，與正極材料配合，使電池具有較高的輸出電壓；

 

　　5)首次不可逆放電比容量較??；

 

　　6)與電解質(zhì)溶劑相容性好；

 

　　7)資源豐富、價格低廉；

 

　　8)安全性好；

 

　　9)環(huán)境友好。

 

　　鋰離子電池負極材料的種類繁多，根據(jù)化學組成可以分為金屬類負極材料(包括合金)、無機非金屬類負極材料及金屬氧化物類負極材料。

 

　　(1)金屬類負極材料：這類材料多具有超高的嵌鋰容量。最早研究的負極材料是金屬鋰。由于電池的安全問題和循環(huán)性能不佳，金屬鋰作為負極材料并未得到廣泛應用。近年來，合金類負極材料得到了比較廣泛的研究，如錫基合金，鋁基合金、鎂基合金、銻基合等，是一個新的方向。

 

　　(2)無機非金屬類負極材料：用作鋰離子電池負極的無機非金屬材料主要是碳材料、硅材料及其它非金屬的復合材料。

 

　　(3)過渡金屬氧化物材料：這類材料一般具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，循環(huán)壽命長等優(yōu)點，如鋰過渡氧化物(鈦酸鋰等)、錫基復合氧化物等。

 

　　就當前的市場而言，在大規(guī)模商業(yè)化應用方面，負極材料仍然以碳材料為主，石墨類和非石墨類碳材料都有應用。在汽車及電動工具領(lǐng)域，鈦酸鋰作為負極材料也有一定的應用，主要是具有非常優(yōu)異的循環(huán)壽命、安全性和倍率性能，但是會降低電池的能量密度，因此不是市場主流。其他類型的負極材料，除了SONY在錫合金方面有產(chǎn)品推出，大多仍以科學研究和工程開發(fā)為主，市場化應用的比較少。